CN102901915B - 紫外光谱在线监测sf6电气设备内so2的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2组分的系统及方法。系统主要包括气体采样池、下位机控制模块、紫外光谱仪、氘灯光源、真空泵、待测SF6电气设备、上位机数据处理与状态分析模块。下位机控制模块控制电磁阀动作，将样本气体从待测SF6电气设备导入气体采样池，紫外光谱仪与氘灯光源配合获取样本气体光谱信号，并传至上位机数据处理与状态分析模块进行程序后处理，判断SF6电气设备内是否存在放电衍生物SO2后，输出检测结果。本发明利用紫外光谱方法实时监测设备内SO2组分，解决了无法对SF6电气设备在线监测的问题，具有体积小、价格低、易安装等特点，适用于现场复杂的检测要求。
Description
技术领域
本发明涉及SF6电气设备的放电故障检测领域，尤其涉及紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2组分的系统及方法。
背景技术
SF6气体十分稳定，具有优异的绝缘和灭弧性能，是迄今为止最理想的绝缘、灭弧介质，被广泛应用于气体绝缘组合电器（GIS）中。然而SF6电气设备在正常运行状态下，SF6气体仍会在电弧、火花和电晕放电作用下发生分解，生成的离子和离子团与GIS内存在的微量水分、气体杂质、金属电极材料和固体绝缘材料等发生反应，生成复杂的衍生物。这些衍生物的存在会造成设备内部金属部件的腐蚀、绝缘材料的性能劣化以致设备绝缘性能的下降，一旦设备发生故障，造成的损失将不可估量；同时有毒的气体衍生物也会给现场工作人员的人身安全带来极大隐患。所以对SF6电气设备的运行状况进行实时在线监测，实现及时及早维护是十分有必要的。（参见文献1）
目前，SF6电气设备内的气体检测的主要方法是现场采集设备内气体，然后送至实验室进行深入分析，使用的方法为中红外光谱法或色谱-质谱联用法。由于这些方法所需的设备体积庞大，无法应用于现场，故采样间隔较长，不利于及时发现设备的故障缺陷。鉴于在线监测系统具有实时性强、检测周期短、分析速度快等特点，在线监测SF6电气设备内气体组分必将成为未来发展的趋势。SO2作为SF6气体在电弧、火花、电晕放电作用下稳定的特征衍生物，是 设备在正常工作情况下不应存在的组分，因此SO2的产生可在一定程度上表征设备的内部绝缘性能的下降。
本发明基于SF6小电气设备内部放电故障原理、紫外光谱分析原理、SF6气体分解理论、SO2频谱特性以及在线监测系统结构，改善了当前检测手段所造成的采样间隔长、不能实现在线监测等问题，具有检测周期短、分析速度快、实时性强、对环境要求不高、便于现场检测等特点。本发明采用可实现自动控制的气路装置对SF6电气设备内气体进行取样，并能够实现自动和手动两种模式；采用的状态分析方法能自动完成对SF6电气设备内部放电故障的诊断，具有针对性强、识别精度高、自动化程度高、计算机信息化、数据便于保存等特点，对实现SF6电气设备状态的在线监测和保证电网安全稳定运行具有重要的意义。
文献1：SF6气体及其衍生物的红外光谱分析[J].蔡涛，王先培，黄云光，杜双育等.光谱学与光谱分析，2010，Vol.30No.11.
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2组分的系统及方法，以实现对SF6电气设备的现场快速自动化检测。通过对SO2气体的检测得出SF6电气设备的运行状态与故障变化趋势，为操作维护人员提供重要预警信息，从而及时做出决断和进一步的精确检测。
解决上述技术问题本发明的技术方案是：
1.紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2的系统，该系统主要包括气体采样池、下位机控制模块、紫外光谱仪、氘灯光源、真空泵、待测SF6电气设备、上位机数据处理与状态分析模块；
（1）各部分结构及功能
所述气体采样池主体为直通管道，直通管道两端各设有结构相同的一个组合体结构的采样接口模块，都固定于方形底座上，其一端为进气口，另一端为出气口；在每个采样接口模块分别都设有一个光纤耦合接口、采样接口模块密封螺孔和采样接口模块密封端盖；此外还分别设有一个与采样接口模块相贯的变送器接口空心螺栓，它不但可以连接变送器，还是外界与气体采样池进行气体交换的通道；
所述下位机控制模块是一台控制器，其结构包括MCU1、MCU2和POWER三个部分，又分为以下子模块：单片机模块，继电器模块，电源模块，变送器输入模块，显示模块，按键模块，PCF8563时钟模块；
单片机模块包括MCU1和MCU2，MCU1的串口输出端与MCU2的串口输入端相连，MCU1的串口输入端与MCU2的串口输出端相连；继电器模块包括三个继电器，分别与三个电磁阀——采样气体进气电磁阀、气体出气电磁阀、真空泵电磁阀相连，由MCU2控制，用于连接三个电磁阀，通过单片机控制信号使三个电磁阀获得12V的控制电压；电源模块包括DC5V，DC12V，AC220V三种供电电路结构，其中DC12V电源为采样气体进气电磁阀、采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀提供开启电压，DC5V电源为下位机控制模块提供工作电源，AC220V电源为系统提供备用交流220V工作电源；变送器输入模块包括温度变送器和压力变送器，分别与MCU1相连，主要用于接收采样池的温度和压力变送器传送的0-5V电压信号；显示模块是一块分辨率为128×64的液晶显示器，直接与MCU1相连，用于将压力、温度和电磁阀的状态实时输出；PCF8563时钟模块是一块时钟芯片，直接与MCU2相连，用于对系统进行定时采样；按键模块包括8个按键，与MCU2相连，用于控制LED灯和继电器模块；
所述紫外光谱仪是测量光路的信号检测元件；
所述氘灯光源是测量光路的信号发生元件；
所述真空泵，是一个由DC12V电源驱动的微型化的泵吸装置；
所述待测SF6电气设备，是系统中待测样本气体的气源；
所述上位机数据处理与状态分析模块由一台上位机组成，其主要功能在包括：读取下位机控制模块上传的数据即气体采样池内的温度/压力信息、读取紫外光谱仪上传的数据即样本气体光谱信息、对SO2紫外特征区域进行数据分析、进行SF6电气设备运行状态判断，必要时进行声光报警；
（2）各部件连接关系：
气体采样池一端的采样接口模块通过变送器接口空心螺栓与温度变送器连接，另一端的采样接口模块通过变送器接口空心螺栓与压力变送器连接；
下位机控制模块分别通过电线与采样气体进气电磁阀、真空泵、真空泵电磁阀、采样气体出气电磁阀、温度变送器、压力变送器连接；
采样气体出气止回阀进口与压力变送器连接，防止外部气体流进采样池干扰检测；三通的三个端口分别与采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀的进口、采样气体出气止回阀的出口连接；真空泵电磁阀的出口与真空泵的进口连接；
紫外光谱仪通过光纤与第一光纤准直耦合透镜模块连接；
氘灯光源通过光纤与第二光纤准直耦合透镜模块连接；
待测SF6电气设备通过采样气体进气电磁阀与温度变送器连接；
上位机数据处理与状态分析模块通过USB线与紫外光谱仪连接，通过232信号线与下位机控制模块连接。
2.紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2的系统运行方法如下，
1)运行中各部件的作用：
A.所述气体采样池为直通管道结构，既简化了结构又减小了容积，控制了样本气体的采样量；
压力变送器和温度变送器分别通过相同的螺纹结构与气体采样池直通管两端的变送器接口空心螺栓相耦合，实时采集气体采样池内气体的温度和压力信号；气体采样池两侧的光纤准直耦合透镜模块与光纤相连，以调节光纤中传输光信号的数值孔径；
B.气体采样池的直通管的一端变送器接口空心螺栓和另一端变送器接口空心螺栓分别位于一端采样接口模块和另一端采样接口模块的气路接口处，不但起到固定温度变送器和压力变送器的作用，也是气体采样池与外界进行气体交换的门户；采样气体通过温度变送器、经一端的变送器接口空心螺栓进入一端的采样接口模块，流过采样池直通管道后，再经另一端的采样接口模块的另一端的变送器接口空心螺栓、通过压力变送器从气体采样池排出，采样气体进气电磁阀和待测SF6电气设备间通过气管相连；
温度变送器和压力变送器通过螺纹分别与一端的变送器接口空心螺栓和另一端的变送器接口空心螺栓相耦合，实时采集气体采样池内温度、压力信号并将其通过232信号线传至下位机控制模块；温度变送器还与采样气体进气电磁阀相连接用于进气；压力变送器还与采样气体出气止回阀相连，用于排出气体及防止气体逆流干扰测量结果；采样气体出气止回阀与三通相连；三通另有两条气路支路：其中一条连接采样气体出气电磁阀和气路出气口，使气体排向大气；另一条支路与真空泵电磁阀和真空泵接相连，用于将气路抽真空去除干扰气体；温度变送器和压力变送器采集的信号也通过下位机控制模块传至上位机数据处理与状态分析模块，关闭采样气体进气电磁阀、采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀后即可将采样气体暂时封存在气体采样池内；
下位机控制模块采用单片机作为控制器，主要用于控制采样气体进气电磁阀、采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀和真空泵的通断，读取气体采样池内温度、压力信号；下位机控制模块和上位机数据处理与状态分析模块通过232串口进行通信，用于向上位机数据处理与状态分析模块上传数据，包括：气体采样池内温度压力值、真空泵和三个电磁阀的通断状态；
下位机控制模块采用两片单片机作为微控制器MCU，一片单片机专门用于信号采集、与上位机数据处理与状态分析模块通信、显示压力变送器温度变送器及三个电磁阀状态，另一片单片机专门用于对三个电磁阀的控制分别使用两片单片机不仅解决了一片单片机寄存器和I/O口不够的问题，而且加大了整个控制部分的稳定性，一片控制器的损坏不会影响到另一片的运行，增加了控制部分的运行速率；下位机控制模块具有模拟部分和数字部分，PCB板的制作采用数字控制部分和模拟控制部分分开的方式，防止模拟信号对控制部分产生干扰；
紫外光谱仪和氘灯光源组成系统的光谱数据采集部分；氘灯光源发出的连续的紫外波段光信号，通过光纤接至第二光纤准直耦合透镜模块，经过气体采样池，再通过第一光纤准直耦合透镜模块经光纤输出至紫外光谱仪；紫外光谱仪和上位机数据处理与状态分析模块之间通过USB通信，用于向上位机数据处理与状态分析模块上传数据，包括：位于紫外波段的光谱仪采样点波长、各采样点对应的待测SF6电气设备内气体样本的吸光度；
上位机数据处理与状态分析模块，其主要功能在状态分析中实现，包括：读取并解析下位机控制模块的控制部分经232串口上传的数据，对特征区段吸光度数据进行预处理，判断样本气体内是否检测出SO2特征，必要时进行声光报警；
2)系统的运行方式：
A.系统的工作流程分为以下四步进行：
笫一步.打开真空泵电磁阀，启动真空泵，对气路进行抽真空以去除杂质气体的干扰，定时1分钟，然后关闭真空泵电磁阀和真空泵；
笫二步.打开采样气体进气电磁阀和采样气体出气电磁阀，开始采样待测SF6电气设备内气体，定时30秒，关闭采样气体进气电磁阀和采样气体出气电磁阀；
笫三步.上位机数据处理与状态分析模块开始采集数据，自动进行数据分析，得出分析结果，并在上位机数据处理与状态分析模块输出检测结果；
笫四步.打开真空泵电磁阀，启动真空泵，将样本气体抽出气路，定时1分钟，随即关闭真空泵电磁阀和真空泵；
B.下位机控制模块对真空泵电磁阀和真空泵的控制有以下四种方式：
笫一方式，通过按键模块实现电磁阀的手动控制；
笫二方式，通过按键模块启动单片机定时器，立刻对气体进行自动定时采样，且只执行一次；
笫三方式，通过按键模块启动PCF8563时钟芯片，系统会以设定的周期反复触发方式（笫二方式），在预设的日期或时刻对气体进行自动定时采样；
笫四方式，利用232信号线，由上位机数据处理与状态分析模块对下位机控制模块发出控制指令，完成电磁阀的控制；
上述四种方式适用于不同条件、不同需求；
C.下位机控制模块，其电源模块的DC5V设计采用了三种取电模式：一是利用USB取电，二是利用ICSP接口取电，三是利用外接DC5V电源适配器直接取电；
电源模块的DC12V设计采用了两种取电模式：一是通过DC5V利用MC34063 DC/DC芯片进行升压取电，二是利用外接DC12V电源适配器直接取电；
多种取电模式适用于不同环境、不同需求。
本发明的优点：
本发明利用紫外光谱方法实时监测设备内SO2组分，解决了无法对SF6电气设备在线监测的问题，具有体积小、价格低、易安装等特点，适用于现场复杂的检测要求。
附图说明
图1是本发明的整体系统结构示意图。
图中：第一光纤准直耦合透镜模块1-1，第二光纤准直耦合透镜模块1-2，上位机数据处理与状态分析模块2，紫外光谱仪3，下位机控制模块4，温度变送器5，采样气体进气电磁阀6，待测SF6电气设备7，氘灯光源8，气体采样池9，压力变送器10，采样气体出气止回阀11，真空泵12，真空泵电磁阀13，三通14，采样气体出气电磁阀15，气路出气口16。
图2是本发明的气体采样池俯视结构示意图。
图中：一端的采样接口模块17-1,另一端的采样接口模块17-2，一端的变送器接口空心螺栓18-1,，另一端的变送器接口空心螺栓18-2，一端的底座固定用螺孔19-1，另一端的底座固定用螺孔19-2，直通管道20，采样池底座21。
图3是本发明的气体采样池的正视结构示意图。
图中：一端的采样接口模块17-1,另一端的采样接口模块17-2，一端的变送器接口空心螺栓18-1,，另一端的变送器接口空心螺栓18-2，一端的采样接口模块密封螺孔22-1,，另一端的采样接口模块密封螺孔22-2，一端的光纤耦 合接口23-1，另一端的光纤耦合接口23-2，一端的采样接口模块密封端盖24-1,另一端的采样接口模块密封端盖24-2。
图4是本发明的气体采样池的右侧视结构示意图。
图中：采样池底座21，另一端的采样接口模块密封螺孔22-2，另一端的光纤耦合接口23-2，另一端的采样接口模块密封端盖24-2。
图5是本发明中的下位机MCU1部分电路原理图。
图6是本发明中的下位机MCU2部分电路原理图。
图7是本发明中的下位机DC5V电源原理图。
图8是本发明中的下位机DC12V电源原理图。
图9是本发明中的下位机AC220V电源原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细的描述。
本发明提出的紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2的系统及方法，采用紫外光谱检测并通过多种数据处理方法，实现了对SF6电气设备内SO2气体的在线采样与检测，能及时对SF6电气设备做出故障判断与初步预警。
本发明结构如图1所示，图中：一端的采样接口模块17-1,另一端的采样接口模块17-2，一端的变送器接口空心螺栓18-1,，另一端的变送器接口空心螺栓18-2，一端的底座固定用螺孔19-1,，另一端的底座固定用螺孔19-2，直通管道20，采样池底座21。
本发明的气体采样池的结构如图2、图3和图4所示，图中：一端的采样接口模块密封螺孔22-1,，另一端的采样接口模块密封螺孔22-2，一端的光纤耦合接口23-1，另一端的光纤耦合接口23-2，一端的采样接口模块密封端盖24-1,另一端的采样接口模块密封端盖24-2。
图1所示，紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2的系统及方法，主要包括气体采样池9、下位机控制模块4、紫外光谱仪3、氘灯光源8、真空泵12、待测SF6电气设备7、上位机数据处理与状态分析模块2。
1.各部分结构及功能
所述气体采样池9主体为直通管道20，直通管道两端各设有结构相同的一个组合体结构的采样接口模块17-1和17-2，都固定于方形底座21上，其一端为进气口，另一端为出气口；在采样接口模块17-1和17-2分别都设有一个光纤耦合接口23-1和23-2、采样接口模块密封螺孔22-1和22-2和采样接口模块密封端盖24-1和24-2；此外还分别设有一个与采样接口模块相贯的变送器接口空心螺栓18-1和18-2，它不但可以连接变送器，还是外界与气体采样池9进行气体交换的通道；
所述下位机控制模块4是一台控制器，其结构包括MCU1、MCU2和POWER三个部分，又分为以下子模块：单片机模块，继电器模块，电源模块，变送器输入模块，显示模块，按键模块，PCF8563时钟模块；
单片机模块包括MCU1和MCU2，MCU1的串口输出端与MCU2的串口输入端相连，MCU1的串口输入端与MCU2的串口输出端相连；继电器模块包括三个继电器，分别与三个电磁阀——采样气体进气电磁阀6、气体出气电磁阀15、真空泵电磁阀13相连，由MCU2控制，用于连接三个电磁阀，通过单片机控制信号使三个电磁阀获得12V的控制电压；电源模块包括DC5V，DC12V，AC220V三种供电电路结构，其中DC12V电源为采样气体进气电磁阀6、采样气体出气电磁阀15、真空泵电磁阀13提供开启电压，DC5V电源为下位机控制模块4提供工作电源，AC220V电源为系统提供备用交流220V工作电源；变送器输入模块包括温度变送器5和压力变送器10，分别与MCU1 相连，主要用于接收采样池9的温度和压力变送器传送的0-5V电压信号；显示模块是一块分辨率为128×64的液晶显示器，直接与MCU1相连，用于将电压、温度和电磁阀的状态实时输出；PCF8563时钟模块是一块时钟芯片，直接与MCU2相连，用于对系统进行定时采样；按键模块包括8个按键，与MCU2相连，用于控制LED灯和继电器模块；
所述紫外光谱仪3是测量光路的信号检测元件；
所述氘灯光源8是测量光路的信号发生元件；
所述真空泵12，是一个由DC12V电源驱动的微型化的泵吸装置；
所述待测SF6电气设备7，是系统中待测样本气体的气源；
所述上位机数据处理与状态分析模块2由一台上位机组成，其主要功能包括：读取下位机控制模块4上传的数据即气体采样池9内的温度/压力信息、读取紫外光谱仪3上传的数据即样本气体光谱信息、对SO2紫外特征区域进行数据分析、进行SF6电气设备运行状态判断，必要时进行声光报警；
2.各部件连接关系：
气体采样池9一端的采样接口模块17-1通过变送器接口空心螺栓18-1与温度变送器5连接，另一端的采样接口模块17-2通过变送器接口空心螺栓18-2与压力变送器10连接；
下位机控制模块4分别通过电线与采样气体进气电磁阀6、真空泵12、真空泵电磁阀13、采样气体出气电磁阀15、温度变送器5、压力变送器10连接；
采样气体出气止回阀11进口与压力变送器10连接，防止外部气体流进采样池干扰检测；三通14的三个端口分别与采样气体出气电磁阀15、真空泵电磁阀13的进口、采样气体出气止回阀11的出口连接；真空泵电磁阀13的出口与真空泵12的进口连接；
紫外光谱仪3通过光纤与第一光纤准直耦合透镜模块1-1连接；
氘灯光源8通过光纤与第二光纤准直耦合透镜模块1-2连接；
待测SF6电气设备7通过采样气体进气电磁阀6与温度变送器5连接；
上位机数据处理与状态分析模块2通过USB线与紫外光谱仪3连接，通过232信号线与下位机控制模块4连接。
本发明紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2的系统实施运行时：
1.运行中各部件的作用：
A.所述气体采样池9为直通管道结构，既简化了结构又减小了容积，控制了样本气体的采样量；
压力变送器10和温度变送器5分别通过相同的螺纹结构与气体采样池直通管20两端的变送器接口空心螺栓18-1和18-2相耦合，实时采集气体采样池9内气体的温度和压力信号；气体采样池9两侧的光纤准直耦合透镜模块1-1和1-2与光纤相连，以调节光纤中传输光信号的数值孔径；
B.气体采样池9的直通管20的一端变送器接口空心螺栓18-1和另一端变送器接口空心螺栓18-2分别位于一端采样接口模块17-1和另一端采样接口模块17-2的气路接口处，不但起到固定温度变送器5和压力变送器10的作用，也是气体采样池9与外界进行气体交换的门户；采样气体通过温度变送器5、经一端的变送器接口空心螺栓18-1进入一端的采样接口模块17-1，流过采样池直通管道20后，再经另一端的采样接口模块17-2的另一端的变送器接口空心螺栓18-2、通过压力变送器10从气体采样池9排出，采样气体进气电磁阀6和待测SF6电气设备7间通过气管相连；
温度变送器5和压力变送器10通过螺纹分别与一端的变送器接口空心螺栓18-1和另一端的变送器接口空心螺栓18-2相耦合，实时采集气体采样池9 内温度、压力信号并将其通过232信号线传至下位机控制模块4；温度变送器5还与采样气体进气电磁阀6相连接用于进气；压力变送器10还与采样气体出气止回阀11相连，用于排出气体及防止气体逆流干扰测量结果；采样气体出气止回阀11与三通14相连；三通14另有两条气路支路：其中一条连接采样气体出气电磁阀15和气路出气口16，使气体排向大气；另一条支路与真空泵电磁阀13和真空泵12接相连，用于将气路抽真空去除干扰气体；温度变送器5和压力变送器10采集的信号也通过下位机控制模块4传至上位机数据处理与状态分析模块2，采样气体进气电磁阀6、采样气体出气电磁阀15、真空泵电磁阀13和真空泵12均通过下位机控制模块4控制，关闭采样气体进气电磁阀6、采样气体出气电磁阀15、真空泵电磁阀13后即可将采样气体暂时封存在气体采样池9内；
下位机控制模块4采用单片机作为控制器，主要用于控制采样气体进气电磁阀6、采样气体出气电磁阀15、真空泵电磁阀13和真空泵12的通断，读取气体采样池内温度、压力信号；下位机控制模块4和上位机数据处理与状态分析模块2通过232串口进行通信，用于向上位机数据处理与状态分析模块2上传数据，包括：气体采样池内温度压力值、真空泵和三个电磁阀的通断状态；
下位机控制模块4采用两片单片机作为微控制器MCU，一片单片机专门用于信号采集、与上位机数据处理与状态分析模块2通信、显示压力变送器10温度变送器5及采样气体进气电磁阀6、真空泵电磁阀13、采样气体出气电磁阀15状态，另一片单片机专门用于对采样气体进气电磁阀6、真空泵电磁阀13、采样气体出气电磁阀15的控制；分别使用两片单片机不仅解决了一片单片机寄存器和I/O口不够的问题，而且加大了整个控制部分的稳定性，一 片控制器的损坏不会影响到另一片的运行，增加了控制部分的运行速率；下位机控制模块4具有模拟部分和数字部分，PCB板的制作采用数字控制部分和模拟控制部分分开的方式，防止模拟信号对控制部分产生干扰；
紫外光谱仪3和氘灯光源8组成系统的光谱数据采集部分；氘灯光源8发出的连续的紫外波段光信号，通过光纤接至第二光纤准直耦合透镜模块1-2，经过气体采样池9，再通过光纤准直耦合透镜模块1-1经光纤输出至紫外光谱仪3；紫外光谱仪3和上位机数据处理与状态分析模块2之间通过USB通信，用于向上位机数据处理与状态分析模块2上传数据，包括：位于紫外波段的光谱仪采样点波长、各采样点对应的待测SF6电气设备7内气体样本的吸光度；
上位机数据处理与状态分析模块2，其主要功能在状态分析中实现，包括：读取并解析下位机控制模块的控制部分经232串口上传的数据，对特征区段吸光度数据进行预处理，判断样本气体内是否检测出SO2特征，必要时进行声光报警。
参见图5、图6，下位机控制模块4采用两片PIC18F4520（MCU1和MCU2）单片机作为控制器。图5中的12864显示屏（128×64LCD）由单片机直接驱动，不需外加驱动芯片，负责显示温度、压力以及系统中所有电磁阀6、13、15和真空泵12的实时状态。MCU1和上位机数据处理与状态分析模块2通过232信号线进行通信，串口通信模块（MAX232）由MAX232芯片和4个104电容组成，实现TTL电平和232电平之间的转换。变送器输入模块（Transmitter）接收气体采样池9内的温度/压力信号并传至MCU1。指示灯模块（LED）包括3盏指示灯，其中的LED1指示MCU1是否正常工作，LED2指示是否有数据发送，LED3为预留指示灯，R9、R10、R11为限流电阻，防止发光二级管被击穿（电阻和LED未在图中详细标出）。报警模块（BEEP） 采用无源压电式蜂鸣器BEEP。单片机采用ICSP接口烧写程序，复位部分（RESET）用于单片机复位之用。MCU1也会与MCU2通信，用于传输控制和状态信号。
图6中的MCU2单片机负责驱动反相器电路（ULN2003A）来使继电器模块（RELAY）动作，当反相器电路（ULN2003A）的1输入端获得高电平时，继电器（RELAY）的线圈两端将获得约5V的压降，继电器（RELAY）动作，将电磁阀（SOLENOID VALVE）的控制端和继电器模块（RELAY）的接线端相连，则电磁阀（SOLENOID VALVE）发生动作，其余继电器模块（RELAY）工作原理相同。按键模块（KEY）包括8个按键(KEY1到KEY8)，其中的KEY1按键用来控制继电器1，KEY2用来控制继电器2，KEY3用来控制继电器3，KEY4用来控制继电器4，按键KEY5用来启动自动采样功能，按键KEY6用来启动PCF8563时钟芯片，用于启动定时自动采样，按键7用于退出定时采样功能，按键KEY8用于控制真空泵的启动（具体按键未在图中详细标出）。指示灯模块（LED）包括4盏LED灯(LED4到KEY7)，LED4、LED5、LED6、LED7分别用于指示真空泵以及采样气体进气电磁阀6、真空泵电磁阀13、采样气体出气电磁阀15（SOLENOID VALVE）的状态，（具体各LED灯在图中未详细标出）。时钟模块（PCF8563）主要由PCF8563时钟芯片和32768Hz的晶振组成，由DC5V电源和锂电池双相供电，可以确保下位机断电后时钟能够正常运行。
图7、8、9为供电电源部分，分为DC5V电源、DC12V电源和AC220V电源三个模块。
图7中DC5V电源模块有两种取电模式：一种是通过USB取电，另一种是通过DC5V电源适配器取电。J4为USB接口，Key3为滑动开关，用以选择 利用何种方式取电，Key4为6脚锁定按键用于外部电源适配器取电模式。LED8为DC5V电源指示灯，R28为限流电阻，C11、C12、C15、C16为滤波电容，用于稳定5V电压。
图8中DC12V通过电源适配器取电。
图9中AC220V电源模块主要通过外部220V交流电源取电。
系统启动时，采样气体进气电磁阀6、真空泵电磁阀13、采样气体出气电磁阀15和真空泵12均处于关闭状态。系统的工作流程分为以下四步：
第一步，打开真空泵电磁阀13和真空泵12，对气路进行抽真空以去除杂质气体的干扰，定时1分钟，然后关闭真空泵侧电磁阀13和真空泵12。
第二步，打开进采样气体进气电磁阀6和采样气体出气电磁阀15，让待测SF6电气设备7内的样本气体流入气体采样池9。定时5秒后，打开采样气体出气电磁阀15，使气体采样池9内保持适当的压力。1分钟后，关闭采样气体进气电磁阀6和气体出气电磁阀15，此时气路采气过程完成。
第三步，通过上位机数据处理与状态分析模块2，获取紫外光谱仪3采集的光谱数据和图形，并进行必要的数据处理。
第四步，采集结束后，重新进行第一步，使采样气体排出气路，防止气体在采样池内发生吸附和反应，定时1分钟；
基于以上工作流程，本发明的下位机控制模块4对真空泵12和采样气体进气电磁阀6、真空泵电磁阀13、采样气体出气电磁阀15的控制方式分为以下四种：
第一种方式，通过按键模块的KEY1到KEY4，手动控制真空泵12和采样气体进气电磁阀6、真空泵电磁阀13、采样气体出气电磁阀15。
第二种方式，通过按键模块的KEY5，立刻启动气路单次自动采样功能。
第三种方式，通过按键模块的KEY6启动PCF8563时钟芯片，实现气路的多次自动采样。此方式开启后，系统会以设定的周期反复触发方式（第二种方式），直至按下按键模块的KEY7关闭该功能。
第四种方式，利用232信号线，由上位机数据处理与状态分析模块2向下位机控制模块4发出控制指令，实现真空泵12和电采样气体进气磁阀6、真空泵电磁阀13、采样气体出气电磁阀15的控制。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2的系统，其特征在于：
紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2的系统，主要包括气体采样池、下位机控制模块、紫外光谱仪、氘灯光源、真空泵、待测SF6电气设备、上位机数据处理与状态分析模块；
(1)各部分结构及功能
所述气体采样池主体为直通管道，直通管道两端各设有结构相同的一个组合体结构的采样接口模块，都固定于方形底座上，其一端为进气口，另一端为出气口；在每个采样接口模块分别都设有一个光纤耦合接口、采样接口模块密封螺孔和采样接口模块密封端盖；此外还分别设有一个与采样接口模块相贯的变送器接口空心螺栓，它不但可以连接变送器，还是外界与气体采样池进行气体交换的通道；
所述下位机控制模块是一台控制器，其结构包括MCU1、MCU2和POWER三个部分，又分为以下子模块：单片机模块，继电器模块，电源模块，变送器输入模块，显示模块，按键模块，PCF8563时钟模块；
单片机模块包括MCU1和MCU2，MCU1的串口输出端与MCU2的串口输入端相连，MCU1的串口输入端与MCU2的串口输出端相连；继电器模块包括三个继电器，分别与三个电磁阀——采样气体进气电磁阀、气体出气电磁阀、真空泵电磁阀相连，由MCU2控制，用于连接三个电磁阀，通过单片机控制信号使三个电磁阀获得12V的控制电压；电源模块包括DC5V，DC12V，AC220V三种供电电路结构，其中DC12V电源为采样气体进气电磁阀、采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀提供开启电压，DC5V电源为下位机控制模块提供工作电源，AC220V电源为系统提供备用交流220V工作电源；变送器输入模块包括温度变送器和压力变送器，分别与MCU1相连，主要用于接收采样池的温度和压力变送器传送的0-5V电压信号；显示模块是一块分辨率为128×64的液晶显示器，直接与MCU1相连，用于将压力、温度和电磁阀的状态实时输出；PCF8563时钟模块是一块时钟芯片，直接与MCU2相连，用于对系统进行定时采样；按键模块包括8个按键，与MCU2相连，用于控制LED灯和继电器模块；
所述紫外光谱仪是测量光路的信号检测元件；
所述氘灯光源是测量光路的信号发生元件；
所述真空泵，是一个由DC12V电源驱动的微型化的泵吸装置；
所述待测SF6电气设备，是系统中待测样本气体的气源；
所述上位机数据处理与状态分析模块由一台上位机组成，其主要功能在包括：读取下位机控制模块上传的数据即气体采样池内的温度/压力信息、读取紫外光谱仪上传的数据即样本气体光谱信息、对SO2紫外特征区域进行数据分析、进行SF6电气设备运行状态判断，必要时进行声光报警；
(2)各部件连接关系：
气体采样池一端的采样接口模块通过变送器接口空心螺栓与温度变送器连接，另一端的采样接口模块通过变送器接口空心螺栓与压力变送器连接；
下位机控制模块分别通过电线与采样气体进气电磁阀、真空泵、真空泵电磁阀、采样气体出气电磁阀、温度变送器、压力变送器连接；
采样气体出气止回阀进口与压力变送器连接，防止外部气体流进采样池干扰检测；三通的三个端口分别与采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀的进口、采样气体出气止回阀的出口连接；真空泵电磁阀的出口与真空泵的进口连接；
紫外光谱仪通过光纤与第一光纤准直耦合透镜模块连接；
氘灯光源通过光纤与第二光纤准直耦合透镜模块连接；
待测SF6电气设备通过采样气体进气电磁阀与温度变送器连接；
上位机数据处理与状态分析模块通过USB线与紫外光谱仪连接，通过232信号线与下位机控制模块连接。
2.如权利要求1所述紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2的系统运行方法，其特征在于，
1)运行中各部件的作用：
A.所述气体采样池为直通管道结构，既简化了结构又减小了容积，控制了样本气体的采样量；
压力变送器和温度变送器分别通过相同的螺纹结构与气体采样池直通管两端的变送器接口空心螺栓相耦合，实时采集气体采样池内气体的温度和压力信号；气体采样池两侧的光纤准直耦合透镜模块与光纤相连，以调节光纤中传输光信号的数值孔径；
B.气体采样池的直通管的一端变送器接口空心螺栓和另一端变送器接口空心螺栓分别位于一端采样接口模块和另一端采样接口模块的气路接口处，不但起到固定温度变送器和压力变送器的作用，也是气体采样池与外界进行气体交换的门户；采样气体通过温度变送器、经一端的变送器接口空心螺栓进入一端的采样接口模块，流过采样池直通管道后，再经另一端的采样接口模块的另一端的变送器接口空心螺栓、通过压力变送器从气体采样池排出，采样气体进气电磁阀和待测SF6电气设备间通过气管相连；
温度变送器和压力变送器通过螺纹分别与一端的变送器接口空心螺栓和另一端的变送器接口空心螺栓相耦合，实时采集气体采样池内温度、压力信号并将其通过232信号线传至下位机控制模块；温度变送器还与采样气体进气电磁阀相连接用于进气；压力变送器还与采样气体出气止回阀相连，用于排出气体及防止气体逆流干扰测量结果；采样气体出气止回阀与三通相连；三通另有两条气路支路：其中一条连接采样气体出气电磁阀和气路出气口，使气体排向大气；另一条支路与真空泵电磁阀和真空泵接相连，用于将气路抽真空去除干扰气体；温度变送器和压力变送器采集的信号也通过下位机控制模块传至上位机数据处理与状态分析模块，关闭采样气体进气电磁阀、采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀后即可将采样气体暂时封存在气体采样池内；
下位机控制模块采用单片机作为控制器，主要用于控制采样气体进气电磁阀、采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀和真空泵的通断，读取气体采样池内温度、压力信号；下位机控制模块和上位机数据处理与状态分析模块通过232串口进行通信，用于向上位机数据处理与状态分析模块上传数据，包括：气体采样池内温度压力值、真空泵和三个电磁阀的通断状态；
下位机控制模块采用两片单片机作为微控制器MCU，一片单片机专门用于信号采集、与上位机数据处理与状态分析模块通信、显示压力变送器温度变送器及三个电磁阀状态，另一片单片机专门用于对三个电磁阀的控制；分别使用两片单片机不仅解决了一片单片机寄存器和I/O口不够的问题，而且加大了整个控制部分的稳定性，一片控制器的损坏不会影响到另一片的运行，增加了控制部分的运行速率；下位机控制模块具有模拟部分和数字部分，PCB板的制作采用数字控制部分和模拟控制部分分开的方式，防止模拟信号对控制部分产生干扰；
紫外光谱仪和氘灯光源组成系统的光谱数据采集部分；氘灯光源发出的连续的紫外波段光信号，通过光纤接至第二光纤准直耦合透镜模块，经过气体采样池，再通过第一光纤准直耦合透镜模块经光纤输出至紫外光谱仪；紫外光谱仪和上位机数据处理与状态分析模块之间通过USB通信，用于向上位机数据处理与状态分析模块上传数据，包括：位于紫外波段的光谱仪采样点波长、各采样点对应的待测SF6电气设备内气体样本的吸光度；
上位机数据处理与状态分析模块，其主要功能在状态分析中实现，包括：读取并解析下位机控制模块的控制部分经232串口上传的数据，对特征区段吸光度数据进行预处理，判断样本气体内是否检测出SO2特征，必要时进行声光报警；
2)系统的运行方式：
A.系统的工作流程分为以下四步进行：
笫一步.打开真空泵电磁阀，启动真空泵，对气路进行抽真空以去除杂质气体的干扰，定时1分钟，然后关闭真空泵电磁阀和真空泵；
笫二步.打开采样气体进气电磁阀和采样气体出气电磁阀，开始采样待测SF6电气设备内气体，定时30秒，关闭采样气体进气电磁阀和采样气体出气电磁阀；
笫三步.上位机数据处理与状态分析模块开始采集数据，自动进行数据分析，得出分析结果，并在上位机数据处理与状态分析模块输出检测结果；
笫四步.打开真空泵电磁阀，启动真空泵，将样本气体抽出气路，定时1分钟，随即关闭真空泵电磁阀和真空泵；
B.下位机控制模块对真空泵电磁阀和真空泵的控制有以下四种方式：
第一方式，通过按键模块实现电磁阀的手动控制；
第二方式，通过按键模块启动单片机定时器，立刻对气体进行自动定时采样，且只执行一次；
第三方式，通过按键模块启动PCF8563时钟芯片，系统会以设定的周期反复触发第二方式，在预设的日期或时刻对气体进行自动定时采样；
第四方式，利用232信号线，由上位机数据处理与状态分析模块对下位机控制模块发出控制指令，完成电磁阀的控制；
上述四种方式适用于不同条件、不同需求；
C.下位机控制模块，其电源模块的DC5V设计采用了三种取电模式：一是利用USB取电，二是利用ICSP接口取电，三是利用外接DC5V电源适配器直接取电；
电源模块的DC12V设计采用了两种取电模式：一是通过DC5V利用MC34063DC/DC芯片进行升压取电，二是利用外接DC12V电源适配器直接取电；
多种取电模式适用于不同环境、不同需求。
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